Partager la publication "Mesure GPS : Conjugaison des perturbations ionosphériques et dilution de la précision HDOP"
Mis à jour le 03/03
Conjugaison de 2 phénomènes
En ce début d’année 2023, nous observons les conséquences de la conjugaison de l’activité ionosphérique et de la dilution de la précision GDOP qui viennent perturber les habitudes et les mesures ou positionnement GPS.
S’agissant de phénomènes périodiques, ils ont eu tendance depuis des années à se faire discrets mais aujourd’hui ils se rappellent à nous de manière plus ou moins forte.
Il est donc intéressant d’en comprendre l’origine et quel impact cela peut avoir sur nos activités quotidiennes.
La vie des récepteurs satellites n’est pas un long fleuve tranquille
Depuis la fin de l’année 2022, l’utilisation d’un récepteur satellites est quelque peu perturbée par deux phénomènes connus.
- Le premier phénomène concerne l’activité ionosphérique : il s’agit de la principale source d’erreur affectant la précision du positionnement par méthodes GNSS liée à la traversée atmosphérique du signal et plus particulièrement à la traversée de sa partie ionisée appelée ionosphère ponctuellement perturbée par les tempètes solaires.
- Le deuxième phénomène concerne la dilution de la précision HDOP, liée à la géométrie des satellites observables ponctuellement à cause de leur position et leur répartition au dessus de l’utilisateur en cette courte période spécifique de l’année.
Quelle que soit la marque du matériel ou les constellations GPS, Glonass, Galiléo ou Beidou utilisées, personne n’y échappe vraiment : ces phénomènes vont toucher tout un chacun et affecter de manière plus ou moins importante votre précision de positionnement.
Phénomènes siégeant dans l’ionosphère
L’ionosphère est une haute couche de l’atmosphère comprise entre environ 50 et 1000 km d’altitude. Dans cette couche atmosphérique, les molécules sont amputées d’un électron sous l’effet du rayonnement solaire (allant de l’ultraviolet aux rayons X) et forment un plasma, c’est-à-dire une phase de la matière constituée de particules chargées d’ions et d’électrons.
Les conséquences
Les conséquences provoquées par des phénomènes solaires comme des éruptions ou des tempêtes géomagnétiques sont nombreuses et variées : corrosion accélérée des pipe-lines, pannes de satellites ou de réseau électrique. Les phénomènes d’origine solaire provoquent également des perturbations qui entraînent une dégradation de la précision des applications GNSS.
Les techniques de positionnement GPS basées sur l’envoi de corrections différentielles par une station de référence (comme le Real-Time Kinematic ou RTK) permettent, d’une manière générale, d’obtenir une précision de l’ordre de quelques centimètres en temps réel. Toutefois, l’ionosphère constitue la principale limitation à la précision de ces méthodes de positionnement.
Ces perturbations électromagnétiques sur les signaux des satellites de géo positionnement affectent la résolution des ambiguïtés entières qui est l’étape critique du traitement de ces signaux de données par le récepteur. Cela provoque d’abord un allongement des temps de calculs, puis l’impact sur la précision des résultats est due au fait que les ambiguïtés sont résolues à un entier incorrect.
Une activité solaire importante tous les 11 ans
Comme vous pouvez le voir sur le graphique ci-dessous, le niveau de l’activité solaire est en augmentation. Cela signifie que les perturbations sont actuellement plus importantes et vont encore augmenter.
Au fil des mois, le nombre de taches solaires a rapidement commencé à dépasser les prévisions pour un mois donné au milieu de 2020, ce qui s’est ensuite accéléré au début de 2021. En mars 2021, le nombre de taches solaires était régulièrement bien supérieur à la quantité prévue, conduisant à une moyenne lissée supérieure au double de ce qui avait été prévu.
Arrivée en janvier 2023, la NOAA avait une valeur moyenne prévue de 63,4, alors que la valeur mesurée a atteind 143,6 !
Source : Site SpaceWeatherLive.com article du 08.02.2023
par Christian Harris
ISES Solar Cycle Sunspot Nuber Progression
Aurores boréales
Nous avons vu les conséquences provoquées par les phénomènes solaires comme des éruptions ou des tempêtes géomagnétiques mais il en est une particulièrement observable, c’est la formation d’aurores boréales.
Il s’agit d’un phénomène lumineux coloré qui se produit régulièrement dans le ciel nocturne de l’hémisphère Nord. Les particules solaires chargées (électrons et protons) viennent frapper l’atmosphère terrestre et viennent exciter à haute altitude l’Oxygène atomique ou l’azote ionisé générant des rayonnements visibles dont les couleurs varient en fonction de l’altitude et donc de la teneur en oxygène et en azote plus ou moins concentrée.
Plus il y a d’activité solaire, plus le vent solaire est chargé de particules et plus les aurores sont intenses sur Terre. Lors des tempêtes extrêmes, il est possible d’observer ces aurores boréales bien en dessous du cercle polaire (jusqu’en Corse par exemple).
Visualisez l’activité Ionosphérique avec Orphéon
Il est désormais possible de visualiser le niveaux des perturbations sur votre espace client ou bien sur l’application smartphone pour les 8 dernières heures (NOVA Maps).
Aurores boréales dans le ciel français : « Nous avons vécu un évènement exceptionnel »
Le GDOP et HDOP une question de géométrie
Pour se positionner avec un récepteur satellite, il faut au moins recevoir les signaux de quatre satellites (trois pour les dimensions et un pour le temps). Cependant, la position des satellites au moment des mesures a une influence déterminante sur la qualité du positionnement et ces calculs peuvent être entachés d’incertitude.
Ainsi, le coefficient d’affaiblissement de la précision ou GDOP est un des critères de qualité qui permet de savoir si une position évaluée au sol est fiable ou non. Ce coefficient permet de vérifier si les satellites utilisés sont suffisamment éloignés entre eux car des satellites trop proches calculeraient une position trop imprécise.
Combien de satellites au dessus de ma tête ?
Les satellites de positionnement sont en mouvement permanent et tournent sans cesse autour de la terre de telle manière qu’en tout point du globe il y ait toujours au moins 4 satellites visibles dans le ciel.
Conséquence
La répartition et le nombre de satellites observables change sans arrêt à telle point qu’à certain moment dans l’année leur nombre diminue mais aussi que leur positionnement au dessus de nous n’est pas optimum.
Comme vous pouvez le voir sur les graphiques ci-dessous qui représentent la différence du nombre de satellites total observables entre 8h et 17h entre le mois de Septembre 2022 et Janvier 2023 avec une chute de leur nombre pendant quelques heures au milieu de la journée (cumul des satellites GPS, Glonass, Galileo et Beidou).
Précautions
Pour en limiter les effets, certaines précautions permettrons d’obtenir de meilleurs résultats comme s’éloigner de ces surfaces réfléchissantes ou bien choisir un équipement compatibles avec les différentes constellations mais aussi avec une antenne déportée du récepteur et surtout moins sensible aux multitrajets.
Malheureusement il est très difficile de se prononcer sur une valeur donnée car l’impact des perturbations va principalement dépendre de l’endroit exact où vous vous trouvez
- Les perturbations fluctuent en fonction des zones et en fonction des moments de la journée
- En plus des différentes perturbations, l’impact peut être différent en fonction de l’environnement (bâtiments, arbres, masques, multi-trajets, nombre de satellites observés, etc ..)
- La sensibilité du matériel (son Age, sa version de logiciel, son moteur de calcul, le type d’antenne externe, etc …)
- La qualité de la connexion internet mobile (latences etc)
Donc, parmi les recommandations essentielles en période de perturbations (et surtout si vos mesures d’élévation en Z sont importantes) :
- Surveiller le GDOP reste inférieur à 3 – 4,
- Respecter des temps d’acquisition des points suffisamment longs
- Réoccuper au moins une fois les points importants au bout de 20 minutes au moins (permet de constater d’éventuels écarts)
Mais aussi nous recommandons en cas de mesures sensibles :
- Enregistrer les données brutes d’observation au format Rinex en parallèle de vos meures de terrain temps réel (permet ensuite de contrôler avec un post-traitement).
- Vérifier à postériori les différents états de votre mobile lors de la cession de mesure grâce à votre espace client Orphéon et aux journaux de logs enregistrés (permet de voir si le mobile a fixé les ambiguïtés, ou s’il est en flottant etc …)
Le but de ces précautions est principalement d’avoir un certain indice de confiance dans les mesures effectuées et de pouvoir déterminer celles qui potentiellement seraient plus douteuses.
Le choix stratégique de votre matériel
Aujourd’hui plus que jamais, le choix de votre équipement est essentiel.
Si pendant des années ces perturbations physiques sont restées assez discrètes, elles ont pu nous laisser penser que tous les récepteurs GPS du marché se valaient et qu’ils présentaient peu ou prou les mêmes performances.
Or nous le savons bien, il y a parfois de fausses économies. Il vaut mieux parfois acquérir un matériel d’un grand constructeur avec moins de fonctionnalité mais être sur de ses performances dans l’adversité et les conditions difficiles du terrain.
Restez attentif à la démonstration et à l’utilisation
Comme nous l’avons vu ci-dessus, les perturbations fluctuent pendant la journée.
Il est donc important lors d’une démonstration d’être attentif aux différentes conditions plus ou moins favorables (ceci est aussi valable lors de l’utilisation de votre propre équipement au quotidien bien évidement)
- Quelles sont les perturbations dans la ionosphère ?
- Quelles est la dilution du GDOP ?
- Quelles sont les latences de transmission des informations due à internet ?
Attention donc aux vendeurs de solution miracle ….
La force du réseau Orphéon
Notre réseau étant à ce jour construit selon les règles de l’art avec des stations tous les 60 km, vous ne devriez normalement ne pas être trop impacté. Nous souhaitions cependant vous faire passer l’information, un utilisateur averti en valant deux !
L’intérêt des Multifréquences L1/L2 et L5
L’utilisation de fréquences multiples permet un meilleur rejet des signaux de réfection ce qui permet de traiter un maximum de signaux directs qui apporte une plus grande précision et une plus grande répétabilité de positionnement.
Le positionnement des stations d’observation du réseau Orphéon et les calculs de corrections s’appuyant sur les fréquences L1 et L5 émises par les satellites permet de rendre le positionnement plus résistant aux interférences et aux réflexions de signaux, notamment dans un environnement urbain.
Concrètement le temps d’initialisation et de délai pour fixer ou de convergence s’en trouve notablement réduits ainsi que les temps de repositionnent en cas de déconnexion.
Le taux de disponibilité le plus élevé du marché
La force du réseau Orphéon est d’avoir été intégré dans le plus grand réseau européen pour partager des infrastructures et des équipes techniques les plus qualifiées et pour garantir des procédures de contrôles identiques sur toute la zone de couverture, un suivi renforcé continu et régulier de l’ensemble de stations et du réseau. Cette équipe technique internationale d’un grand constructeur est chargée de superviser l’ensemble des installations 24 h/365 j.
Une expertise internationale couvrant de nombreux pays
Un choix de matériel et de récepteur GNSS pour le réseau
Les stations GNSS du réseau Orphéon sont toutes de même marque, pour limiter les bruits de mesure entre capteurs et permettent à 100% les calculs des corrections Full GNSS en réseau (GPS + GLONASS + Galileo + BeiDou). De plus, les stations sont toutes la propriété de Geodata Diffusion, de manière à assurer pérennité et performance.
Le choix sans aucun compromis du matériel utilisé pour créer le réseau Orphéon
Tous les capteurs et les antennes sont de même marque afin que les biais d’électronique soient parfaitement maîtrisés ou tout du moins constant dans le calcul RTK réseau.
L’antenne GPS / GNSS de la station est reliée par un câble d’antenne à un coffret électrique hébergeant :
- Le récepteur GPS / GNSS.
- Un modem pour le connecter à notre réseau de télécommunication propriétaire.
- Tous les automatismes nécessaires au redémarrage du site à distance en cas d’indisponibilité des équipements.
- Transmission des données dédoublé pour une plus grande disponibilité
